塑料模具激光蝕紋機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

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塑料工業(yè)塑料模具激光蝕紋機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究周泳全吳憶鋒趙盛宇2肖永山1周逸2（1深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息控制與制造系，廣東深圳518029 2深圳市海目星激光科技有限公司，廣東深圳518101）掃描技術(shù)，對(duì)模具激光蝕刻原理進(jìn)行了分析和探討；對(duì)模具激光蝕刻工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；并設(shè)計(jì)了塑料產(chǎn)品常見的蝕紋圖案。經(jīng)過對(duì)模具激光蝕紋機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)等整體方案的設(shè)計(jì)及工藝141.激光束首先進(jìn)入移動(dòng)鏡頭，透過移動(dòng)鏡頭之后，光束快速分散，直到進(jìn)入一個(gè)或兩個(gè)聚焦鏡頭?，F(xiàn)在會(huì)聚的光束穿過鏡頭，并由一組X和Y鏡片（這些鏡片由振鏡式掃描器移動(dòng)）引導(dǎo)。X和Y鏡片呈直角排列，向下引導(dǎo)光束，覆蓋工作范圍的長和寬?！　?D掃描振鏡激光加工原理圖在沒有焦點(diǎn)校正的掃描振鏡中，向任一軸向移動(dòng)工作范圍中心聚焦的激光光斑時(shí)，都會(huì)劃出一個(gè)弧形，在工作范圍上方產(chǎn)生一個(gè)聚焦點(diǎn)的球面。在遠(yuǎn)離工作范圍中心的位置，激光光束沒有聚焦。這是因?yàn)楫?dāng)掃描器將光束向遠(yuǎn)離工作范圍中心的方向引導(dǎo)時(shí)，從鏡頭到工件的距離增加了?！　≡?D掃描振鏡中，通過微調(diào)移動(dòng)鏡頭和聚集鏡頭之間的距離來實(shí)現(xiàn)聚焦補(bǔ)償，由于掃描器通過第三個(gè)移動(dòng)軸一“Z”軸在整個(gè)工作范圍內(nèi)引導(dǎo)光束，故而得名“3D掃描振鏡”。Z軸即直線模塊，它是用來將激光光斑沿光軸向下移動(dòng)的光學(xué)機(jī)械組件。因此，激光束子系統(tǒng)能夠裝入不同的掃描振鏡。激光束子系統(tǒng)的聚焦屬性由直線模塊決定?！　∽拥闹餍?yīng)及全部因子的二階交互效應(yīng)然后進(jìn)行殘1.3模具激光蝕刻加工工藝模具激光蝕刻工藝流程圖如所示。工作過程原理描述如下：系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先裝載激光蝕刻卡底層運(yùn)行文件，之后用戶方可在系統(tǒng)的硬件參數(shù)設(shè)置模塊內(nèi)對(duì)激光束、振鏡延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，并且導(dǎo)入圖形文件進(jìn)行顯示和調(diào)整。　　模具激光蝕刻工藝流程圖由于掃描頭的有效像場范圍有限，因此蝕刻目標(biāo)必須限制在該有效像場內(nèi)，否則會(huì)引起掃描頭的嚴(yán)重受損。在選用自動(dòng)蝕刻功能時(shí)，系統(tǒng)將依靠外觸發(fā)電路來實(shí)施蝕刻操作，并且系統(tǒng)將隨時(shí)對(duì)激光的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測，只要激光器發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動(dòng)停止一切的激光蝕刻操作。　　2激光蝕刻加工參數(shù)優(yōu)化在激光蝕紋的加工過程中，加工工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)蝕刻質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就將造成蝕刻粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，圖案周邊出現(xiàn)燒焦、脫渣等不良現(xiàn)象。影響蝕刻質(zhì)量的機(jī)器加工參數(shù)主要有：激光功率（W）、激光焦距（mm）、單次蝕刻時(shí)間蝕刻次數(shù)、蝕刻速度（/）蝕刻角度（°）、蝕刻點(diǎn)直徑屮m）等共7種參數(shù)。與被蝕刻模具材料相關(guān)的參數(shù)有：模具材料硬度（HRC）、模具表面粗糙度（Ra）、模具材料含碳量（%）等共3種參數(shù)。當(dāng)對(duì)某模具進(jìn)行蝕刻時(shí)，用戶需要針對(duì)相應(yīng)的模具材料參數(shù)設(shè)置最優(yōu)的機(jī)器加工參數(shù)，他們可以通過具備人機(jī)交互功能界面的優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)庫中獲得最佳加工參數(shù)。　　nrbDCE軟件模塊對(duì)初期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全因子設(shè)計(jì)分析，單一因子水平數(shù)量控制在3~4個(gè)。首先“擬合選定模型”，即在模型中包含全部因差分析，計(jì)算主效應(yīng)P、二階因子交互效應(yīng)P！及其方差分析灣曲和失擬）P直的大小和作用，結(jié)合決定系數(shù)RS和R-S1（調(diào)整）的差值判定“擬合選定模型”是有效的51，否則要進(jìn)一步修正響應(yīng)變量粗糙度R的原模型。是DOE分析結(jié)果，即進(jìn)一步細(xì)分的因子效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)珀拉圖（Paret0）。　　DOE分析結(jié)果根據(jù)上述DCE試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，塑料模具激光蝕紋機(jī)的人機(jī)交互功能界面，能自動(dòng)輸出優(yōu)化的激光加工參數(shù)?！　?激光蝕紋圖案數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)塑料模具蝕紋圖案約60%是標(biāo)準(zhǔn)紋（含梨地花紋）近年國內(nèi)外流行的美國模德公司的MT0000系列標(biāo)準(zhǔn)紋，就有近千種圖案；另外40%主要是針對(duì)皮革紋、橘皮紋、木紋、雨花紋、射紋、亞光面等裝飾花紋的需求。是類似于美國模德公司MT1005標(biāo)準(zhǔn)紋（梨地花紋）的樣品，除了MT1000之外，MT1005是最細(xì)膩的標(biāo)準(zhǔn)紋，也是T電子產(chǎn)品中常用的紋理。從經(jīng)過放大10倍的示意圖中可以看出，在直徑近1mm的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)了6多個(gè)形狀各異的凹坑陰影部分）利用激光蝕刻能準(zhǔn)確加工出設(shè)計(jì)的凹坑。凹坑之間的間距及凹坑的深度，決定了被蝕刻模具表面的粗糙度，從而可以通過粗糙度的測量，校驗(yàn)激光蝕刻加工的表面，是否達(dá)到了紋理的設(shè)計(jì)規(guī)格。依照MT1005標(biāo)準(zhǔn)紋的設(shè)計(jì)思路，可以逐步設(shè)計(jì)其他各類蝕紋圖案，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，即建立電子標(biāo)準(zhǔn)紋板，讓計(jì)算機(jī)能識(shí)別每個(gè)圖案需要蝕刻的區(qū)域、位置、線條和面積。　　塑料工業(yè)年據(jù)激光蝕刻軟件的上述功能需求及通用軟件設(shè)計(jì)理念，按照軟件工程理論中結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想和自頂向下、逐步細(xì)分的設(shè)計(jì)原則，將蝕刻軟件功能劃分為若干模塊，各模塊再細(xì)分為子模塊。是通過對(duì)各子模塊進(jìn)行集成后的軟件系統(tǒng)?！　∽鴺?biāo)平移，一圖形分解與顯一1~圖形大小調(diào)整激光蝕刻啟動(dòng)停m激光器控制指3振鏡控制指令系統(tǒng)軟件功能模塊圖字符數(shù)據(jù)庫用于編輯和存儲(chǔ)字符顯示碼；激光蝕刻卡指令系統(tǒng)用于編輯和管理激光蝕刻指令，實(shí)現(xiàn)底層硬件和應(yīng)用軟件之間的無縫連接；圖形文件讀取與分解包括圖形分解與顯示、坐標(biāo)平移、圖形大小調(diào)整等?！　「鶕?jù)激光對(duì)金屬表面進(jìn)行蝕刻的原理，通過3D激光掃描振鏡技術(shù)，在系統(tǒng)軟件的支持下，實(shí)現(xiàn)模具平面和曲面的蝕刻加工；根據(jù)DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的加工參數(shù)，可以針對(duì)不同的模具鋼材及其表面硬度，將蝕紋圖案數(shù)據(jù)庫中的任一紋理進(jìn)行蝕刻加工。塑料模具激光蝕紋技術(shù)在生產(chǎn)成本、加工效率方面大大優(yōu)于常規(guī)化學(xué)蝕紋，在加工質(zhì)量方面也可以與此媲美。